什么是热失控？从滥用到热失控电芯到底经历了什么？

我国已经将发展高能量密度的锂离子电池作为国家策略，十一五重点发展了磷酸铁锂正极锂离子电池，十二五重点发展了三元正极锂离子电池，十三五正在重点研发高镍三元正极+硅碳负极锂离子电池，高能量密度材料的应用在提高电芯能量密度的同时，也降低了电芯自身的热稳定性，使之更易导致安全问题，比如热失控，外界表现就是冒烟、起火和爆炸。常见导致电芯热失控的滥用情况有机械滥用、电气滥用和热滥用。这几种触发方式应该比较容易理解，但关于它们触发热失控的机理以及在热失控过程中的关键性特点，你了解多少呢？今天，本文带大家梳理从滥用情况到电芯热失控的关键过程。

图1纯电动汽车用锂离子电池发展路线图

电芯的滥用情况可进一步细分，机械滥用分为挤压和针刺，电气滥用分为过充和过放，热滥用的特点在于外部高温，三种滥用之间即相互独立又紧密相连，机械滥用可以触发短路，这是电气滥用的一个常见特点，而短路释放热量，引发热滥用状态。在热滥用条件下，电池被加热到极端温度，然后发生热失控。

一、锂离子电池的机械滥用挤压和针刺

在汽车碰撞的过程中，电池组发生变形，电芯相互挤压致隔膜破裂，内部短路发生，电池的电能将在短时间内持续释放，电池的温度通过吸收短路出现的热量而上升，温度上升直到电池能量完全释放完停止，过高的温度极易点燃泄露的可燃电解液，发生起火和爆炸，与挤压相比，针刺也可能源于车辆的碰撞，但在针刺开始的时刻就可以瞬间触发锂离子电池的内短路，当电池温度达到阈值时（120℃），电池发生副反应温度进一步加速上升发生热失控。

二、锂离子电池的电气滥用过充和过放

图3锂离子电池过充电内部短路机理

过度充电导致的热失控比其他的滥用情况更加苛刻。电池管理系统(BMS)在上电压限制前停止充电过程的失败是造成过度充电的常见原因。电池内部的不一致决定了电压最高的电池是第一个被过充电的电池，其次是其他电池。在过充电过程中石墨阳极充满嵌锂之后，金属锂开始沉积在阳极表面形成锂枝晶，而随着金属锂的不断沉积，锂枝晶在塌陷中不断生长，最终刺穿隔膜发生内短路，电芯热失控。

图4过放条件下铜的溶解和沉积导致内短路的机理

过度放电是另一种可能的滥用电气的情况。一般来说，电池组内的电压不一致是不可防止的。因此，一旦BMS没能监测任何单个电芯的电压，最低电压的电池就会被过度放电。在过放电过程中阳极的形态发生了变化，过度放电导致了铜集流体的溶解。溶解的铜迁移并沉积在阳极表面，最终导致内短路和容量降低。

三、锂离子电池的热滥用

图5内短路造成热失控

在电池组中，局部过热是可能发生的典型的热滥用状态。除了由机械/电气引起的过热现象外，过热也可能是由于电芯连接器的接触造成的。电芯的隔膜是一层塑料材料，材质重要为PE和PP，它把电池的正负极隔开，只允许电解液中的锂离子通过。当电芯处于高温环境中时，温度经外壳传导至隔膜，隔膜受热收缩和破裂，电池正负极内短路，从而发生热失控。

电池的滥用情况各种各样，各个滥用情况造成的热失控机理各有不同，但是它们都有一个显著的特点那就是内短路，内短路的发生使电池自身的电能在短时间内转换为热量，促使电池温度急剧升高，达到电池内部副反应的起始温度，从而发生热失控，电池内短路的精确预测将会是以后电池热失控的控制以及预测的关键点。